JP2021132150A - 光モジュール及び光モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】出力するレーザ光の伝搬の損失の発生を抑制する光モジュールを得ること。【解決手段】光モジュール１は、複数の発光点を含むマルチエミッタ半導体レーザバー２と、マルチエミッタ半導体レーザバー２が出力する複数のビームを平行にするためのコリメートレンズアレイ４とを有する。上記の複数のビームの伝搬方向と直交する平面であってコリメートレンズアレイ４を含む平面でのコリメートレンズアレイ４の反りの向きは、上記の複数のビームの伝搬方向と直交する平面であって上記の複数の発光点を含む平面での上記の複数の発光点を結ぶ線の反りの向きと同じである。【選択図】図１

Description

本開示は、レーザ光を出力する光モジュール及び光モジュールの製造方法に関する。

従来、ワークを加工するためにレーザ光を出力する光モジュールが用いられている。例えば、複数の発光点を含むマルチエミッタ半導体レーザバーと、マルチエミッタ半導体レーザバーが出力する複数のビームを平行にするためのコリメートレンズアレイとを有する光モジュールが提案されている。従来、板状部と、板状部の下面に設けられたレンズ部と、板状部を挟んで板状部に沿って延びる一対のリブ部とを有するレンズ部品も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第５８９９９２５号公報

上述の通り、複数の発光点を含むマルチエミッタ半導体レーザバーと、マルチエミッタ半導体レーザバーが出力する複数のビームを平行にするためのコリメートレンズアレイとを有する光モジュールが知られている。当該光モジュールでは、複数の発光点を結ぶ線の反りの向きがコリメートレンズアレイの反りの向きと異なると、マルチエミッタ半導体レーザバーが出力する複数のビームが直進しなくなる。複数のビームが直進しないと、加工に使用することができるレーザ光の量が低下する。レーザ光の量が低下すると、ワークの加工が困難になる。

特許文献１はレンズ側の変形を抑制する技術を開示しているが、特許文献１が開示している技術を考慮しても、上記の光モジュールにおける複数の発光点を結ぶ線の反りの向きとコリメートレンズアレイの反りの向きとが異なる状況は生じる。つまり、従来の技術では、光モジュールから出力されるレーザ光の伝搬の損失が発生する場合がある。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、出力するレーザ光の伝搬の損失の発生を抑制する光モジュールを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る光モジュールは、複数の発光点を含むマルチエミッタ半導体レーザバーと、マルチエミッタ半導体レーザバーが出力する複数のビームを平行にするためのコリメートレンズアレイとを有する。複数のビームの伝搬方向と直交する平面であってコリメートレンズアレイを含む平面でのコリメートレンズアレイの反りの向きは、複数のビームの伝搬方向と直交する平面であって複数の発光点を含む平面での複数の発光点を結ぶ線の反りの向きと同じである。

本開示に係る光モジュールは、出力するレーザ光の伝搬の損失の発生を抑制することができるという効果を奏する。

実施の形態１に係る光モジュールの側面を模式的に示す図 実施の形態１に係る光モジュールの平面を模式的に示す図 実施の形態１に係る光モジュールの正面を模式的に示す図 実施の形態１に係る光モジュールの製造方法の手順の例を示すフローチャート 実施の形態１に係る光モジュールの製造方法を説明するための図 実施の形態２に係る光モジュールの側面を模式的に示す図 実施の形態２に係る光モジュールによって得られる効果を説明するための第１の図 実施の形態２に係る光モジュールによって得られる効果を説明するための第２の図 実施の形態３に係る光モジュールの側面を模式的に示す図 実施の形態３に係る光モジュールによって得られる効果を説明するための第１の図 実施の形態３に係る光モジュールによって得られる効果を説明するための第２の図

以下に、実施の形態に係る光モジュール及び光モジュールの製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る光モジュール１の側面を模式的に示す図である。本願の図面において、「Ｘ」、「Ｙ」及び「Ｚ」の各々は軸を示しており、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の各々は、他の二つの軸と直交している。図１は、Ｙ軸とＺ軸とを含む平面に平行な光モジュール１の側面を模式的に示している。図２は、実施の形態１に係る光モジュール１の平面を模式的に示す図である。更に言うと、図２は、Ｘ軸とＺ軸とを含む平面に平行な光モジュール１の平面を模式的に示している。

光モジュール１は、複数の発光点を含むマルチエミッタ半導体レーザバー２を有する。マルチエミッタ半導体レーザバー２は、レーザ光を出力する素子である。例えば、マルチエミッタ半導体レーザバー２のレーザ光の出力に主に寄与する半導体は、ヒ化ガリウムである。例えば、マルチエミッタ半導体レーザバー２の発振出力は、数百ワット以上である。上述の通り、マルチエミッタ半導体レーザバー２は、複数の発光点を有するので、複数のビームを出力する。複数の発光点の詳細については、後述する。

光モジュール１は、マルチエミッタ半導体レーザバー２が載置されて、マルチエミッタ半導体レーザバー２で発生する熱を放散させる冷却構造体３を更に有する。例えば、冷却構造体３には水の流路が形成されていて、水が流路を流れることによって、冷却構造体３はマルチエミッタ半導体レーザバー２で発生する熱を放散させる。

光モジュール１は、マルチエミッタ半導体レーザバー２が出力する複数のビームを平行にするためのコリメートレンズアレイ４を更に有する。コリメートレンズアレイ４は、マルチエミッタ半導体レーザバー２が出力する複数のビームが伝搬する向きにおいて、マルチエミッタ半導体レーザバー２より前方に設けられている。コリメートレンズアレイ４の長手方向は、Ｘ軸の方向である。例えば、コリメートレンズアレイ４では、長手方向の中心に対して、Ｘ軸の正の向きの形状とＸ軸の負の向きの形状とが対称である。光モジュール１は、コリメートレンズアレイ４を保持するための保持部材５を更に有する。保持部材５を構成する材料とコリメートレンズアレイ４を構成する材料とが同じであることが好ましい。

光モジュール１は、コリメートレンズアレイ４と保持部材５とを接合している第１の接合部材６と、冷却構造体３と保持部材５とを接合している第２の接合部材７とを更に有する。第１の接合部材６の耐熱強度が第２の接合部材７の耐熱強度より大きいことが好ましい。第２の接合部材７については、紫外線硬化材料で形成されていることが好ましい。なお、図１及び図２には、マルチエミッタ半導体レーザバー２に電流を供給する給電機構は示されていない。

図３は、実施の形態１に係る光モジュール１の正面を模式的に示す図である。正面は、マルチエミッタ半導体レーザバー２が複数のビームを出力する側の面である。更に言うと、正面は、Ｘ軸とＹ軸とを含む平面に平行な平面である。図１から理解することができるように、Ｚ軸の正の側からＺ軸の負の側の向きに正面を見ると、マルチエミッタ半導体レーザバー２が有する複数の発光点２ａはコリメートレンズアレイ４によって隠れる。しかしながら、図３には、マルチエミッタ半導体レーザバー２が有する複数の発光点２ａが示されている。図３における複数の発光点２ａは、マルチエミッタ半導体レーザバー２が複数の発光点２ａを有することを説明するために示されている。

図３には、コリメートレンズアレイ４の反りを示す円弧４ａが示されている。円弧４ａは、一点鎖線で示されている。コリメートレンズアレイ４の反りは、マルチエミッタ半導体レーザバー２が出力する複数のビームの伝搬方向と直交する平面であってコリメートレンズアレイ４を含む平面でのコリメートレンズアレイ４の反りである。円弧４ａが示す通り、図３のコリメートレンズアレイ４の反りの向きは、Ｙ軸の負の側に突出する向きである。

光モジュール１では、コリメートレンズアレイ４の反りの向きは、マルチエミッタ半導体レーザバー２が出力する複数のビームの伝搬方向と直交する平面であって複数の発光点２ａを含む平面での複数の発光点２ａを結ぶ線の反りの向きと同じである。

図４は、実施の形態１に係る光モジュールの製造方法の手順の例を示すフローチャートである。光モジュール１を製造する際、まず、マルチエミッタ半導体レーザバー２が出力する複数のビームの伝搬方向と直交する平面であって複数の発光点２ａを含む平面での複数の発光点２ａを結ぶ線の反りの向きを測定する（Ｓ１）。すなわち、ステップＳ１において、Ｙ軸の方向における複数の発光点２ａを結ぶ線の反りの向きを測定する。図４では、ステップＳ１は「マルチエミッタ半導体レーザバーの反りの向きを測定する」と記載されている。

次に、コリメートレンズアレイ４で平行にされるビームの伝搬方向と直交する平面であってコリメートレンズアレイ４を含む平面でのコリメートレンズアレイ４の反りの向きを測定する（Ｓ２）。つまり、ステップＳ２において、Ｙ軸の方向におけるコリメートレンズアレイ４の反りの向きを測定する。次に、測定されたコリメートレンズアレイ４の反りの向きを、測定された複数の発光点２ａを結ぶ線の反りの向きと同じにする（Ｓ３）。図４では、ステップＳ３は「コリメートレンズアレイの反りの向きをマルチエミッタ半導体レーザバーの反りの向きと同じにする」と記載されている。次に、コリメートレンズアレイ４が第１の接合部材６によって接合されている保持部材５を、第２の接合部材７によって冷却構造体３に接合する（Ｓ４）。

次に、図４のステップＳ３の動作を更に説明する。すなわち、コリメートレンズアレイ４の反りの向きを、複数の発光点２ａを結ぶ線の反りの向きと同じにする動作を更に説明する。図５は、実施の形態１に係る光モジュール１の製造方法を説明するための図である。図５の矢印Ａ及び矢印Ｂより左側で示されているように、コリメートレンズアレイ４の反りの向きがＹ軸の正の側に突出する向きである場合を想定する。

矢印Ａより右側において示されているように、複数の発光点２ａを結ぶ線２ｂの反りの向きがＹ軸の負の側に突出する向きである場合、矢印Ａ１より右側において示されているように、コリメートレンズアレイ４のＺ軸と平行な中心軸の周りにコリメートレンズアレイ４を半回転させて、コリメートレンズアレイ４の反りの向きをＹ軸の負の側に突出する向きにする。これにより、コリメートレンズアレイ４の反りの向きを、複数の発光点２ａを結ぶ線２ｂの反りの向きと同じにする。なお、複数の発光点２ａを結ぶ線２ｂは、実線で示されている。

矢印Ｂより右側において示されているように、複数の発光点２ａを結ぶ線２ｂの反りの向きがＹ軸の正の側に突出する向きである場合、矢印Ｂ１より右側において示されているように、コリメートレンズアレイ４のＺ軸と平行な中心軸の周りにコリメートレンズアレイ４を回転させない。これにより、コリメートレンズアレイ４の反りの向きを、複数の発光点２ａを結ぶ線２ｂの反りの向きと同じにする。

上述の通り、実施の形態１に係る光モジュール１では、コリメートレンズアレイ４の反りの向きは、マルチエミッタ半導体レーザバー２が有する複数の発光点２ａを結ぶ線２ｂの反りの向きと同じである。そのため、マルチエミッタ半導体レーザバー２が出力する複数のビームが直進しなくなることは抑制される。したがって、光モジュール１は、出力するレーザ光の伝搬の損失の発生を抑制することができる。言い換えると、光モジュール１は、出力するレーザ光を効率良く伝搬させることができる。

実施の形態１では、コリメートレンズアレイ４の反りの向きを、複数の発光点２ａを結ぶ線２ｂの反りの向きと同じにして光モジュール１を製造する。したがって、実施の形態１に係る光モジュールの製造方法によれば、出力するレーザ光の伝搬の損失の発生を抑制する光モジュール１を製造することができる。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係る光モジュール１Ａの側面を模式的に示す図である。光モジュール１Ａは、実施の形態１に係る光モジュール１が有するすべての構成要素を有する。光モジュール１Ａは、光モジュール１が有しない構成要素を有する。実施の形態２では、実施の形態１との相違点を主に説明する。

光モジュール１Ａは、光モジュール１が有していない光学素子８ａを更に有する。光学素子８ａは、マルチエミッタ半導体レーザバー２が出力する複数のビームが伝搬する向きにおいて、コリメートレンズアレイ４より前方に設けられている。例えば、光学素子８ａは、マイクロレンズアレイ、ビームトランスファーシステム、又は、プリズムである。光モジュール１Ａは、光学素子８ａと保持部材５とを接合している接合部材９ａを更に有する。例えば、接合部材９ａは第１の接合部材６と同じ材料によって形成されている。

実施の形態２では、光学素子８ａについて、マルチエミッタ半導体レーザバー２が出力する複数のビームの伝搬方向と直交する平面での反りの向きは、複数の発光点２ａを結ぶ線２ｂの反りの向きと同じである。光モジュール１Ａを製造する場合、光学素子８ａについて、コリメートレンズアレイ４と同様に、通過するビームの伝搬方向と直交する平面での反りの向きを測定する。つまり、Ｙ軸の方向における光学素子８ａの反りを測定する。次に、測定された光学素子８ａの反りの向きを、複数の発光点２ａを結ぶ線２ｂの反りの向きと同じにする。

図７は、実施の形態２に係る光モジュール１Ａによって得られる効果を説明するための第１の図である。図７では、コリメートレンズアレイ４の反りの向きは、マルチエミッタ半導体レーザバー２が有する複数の発光点２ａを結ぶ線２ｂの反りの向きと異なっている。加えて、光学素子８ａの反りの向きは、複数の発光点２ａを結ぶ線２ｂの反りの向きと異なっている。

図７が示す状況では、マルチエミッタ半導体レーザバー２が出力する複数のビームのうちで直進するビーム１０が存在する一方、直進しないビーム２０も発生する。直進しないビーム２０は、コリメートレンズアレイ４及び光学素子８ａの各々において発生する。直進しないビーム２０が発生することは、マルチエミッタ半導体レーザバー２が出力するレーザ光が効率良く伝搬しないことを意味する。

図８は、実施の形態２に係る光モジュール１Ａによって得られる効果を説明するための第２の図である。図８では、コリメートレンズアレイ４の反りの向きは、マルチエミッタ半導体レーザバー２が有する複数の発光点２ａを結ぶ線２ｂの反りの向きと同じである。光学素子８ａの反りの向きも、複数の発光点２ａを結ぶ線２ｂの反りの向きと同じである。

すなわち、図８は実施の形態２に係る光モジュール１Ａにおける複数のビームの伝搬の状況を示している。上述の通り、コリメートレンズアレイ４の反りの向き及び光学素子８ａの反りの向きが複数の発光点２ａを結ぶ線２ｂの反りの向きと同じであるので、直進しないビーム２０の発生は抑制され、マルチエミッタ半導体レーザバー２が出力する複数のビームのうちの比較的多数のビームが直進するビーム１０となる。したがって、光モジュール１Ａは、出力するレーザ光の伝搬の損失の発生を抑制することができる。

上述の通り、実施の形態２に係る光モジュール１Ａでは、コリメートレンズアレイ４の反りの向き及び光学素子８ａの反りの向きは、マルチエミッタ半導体レーザバー２が有する複数の発光点２ａを結ぶ線２ｂの反りの向きと同じである。そのため、マルチエミッタ半導体レーザバー２が出力する複数のビームが直進しなくなることは抑制される。したがって、光モジュール１Ａは、出力するレーザ光の伝搬の損失の発生を抑制することができる。言い換えると、光モジュール１Ａは、出力するレーザ光を効率良く伝搬させることができる。

実施の形態２では、コリメートレンズアレイ４の反りの向きと光学素子８ａの反りの向きとを、複数の発光点２ａを結ぶ線２ｂの反りの向きと同じにして光モジュール１Ａを製造する。したがって、実施の形態２に係る光モジュールの製造方法によれば、出力するレーザ光の伝搬の損失の発生を抑制する光モジュール１Ａを製造することができる。

実施の形態３．
図９は、実施の形態３に係る光モジュール１Ｂの側面を模式的に示す図である。光モジュール１Ｂは、実施の形態１に係る光モジュール１が有するすべての構成要素を有する。光モジュール１Ｂは、光モジュール１が有しない構成要素を有する。実施の形態３では、実施の形態１との相違点を主に説明する。

光モジュール１Ｂは、光モジュール１が有していない光学素子８ａ，・・・，８ｎを更に有する。光学素子８ａ，・・・，８ｎは、マルチエミッタ半導体レーザバー２が出力する複数のビームが伝搬する向きにおいて、コリメートレンズアレイ４より前方に設けられている。例えば、光学素子８ａ，・・・，８ｎの各々は、他の光学素子と異なる機能を有する。例えば、光学素子８ａ，・・・，８ｎの各々は、マイクロレンズアレイ、ビームトランスファーシステム、又は、プリズムである。光モジュール１Ｂは、光学素子８ａ，・・・，８ｎと保持部材５とを接合している接合部材９ａ，・・・，９ｎを更に有する。例えば、接合部材９ａ，・・・，９ｎの各々は第１の接合部材６と同じ材料によって形成されている。

実施の形態３では、光学素子８ａ，・・・，８ｎの各々について、マルチエミッタ半導体レーザバー２が出力する複数のビームの伝搬方向と直交する平面での反りの向きは、複数の発光点２ａを結ぶ線２ｂの反りの向きと同じである。光モジュール１Ｂを製造する場合、光学素子８ａ，・・・，８ｎの各々について、コリメートレンズアレイ４と同様に、通過するビームの伝搬方向と直交する平面での反りの向きを測定する。つまり、Ｙ軸の方向における光学素子８ａ，・・・，８ｎの各々の反りを測定する。次に、測定された光学素子８ａ，・・・，８ｎの各々の反りの向きを、複数の発光点２ａを結ぶ線２ｂの反りの向きと同じにする。

図１０は、実施の形態３に係る光モジュール１Ｂによって得られる効果を説明するための第１の図である。図１０では、コリメートレンズアレイ４の反りの向きは、マルチエミッタ半導体レーザバー２が有する複数の発光点２ａを結ぶ線２ｂの反りの向きと異なっている。加えて、光学素子８ａ，・・・，８ｎの各々の反りの向きは、複数の発光点２ａを結ぶ線２ｂの反りの向きと異なっている。

図１０が示す状況では、マルチエミッタ半導体レーザバー２が出力する複数のビームのうちで直進するビーム１０が存在する一方、直進しないビーム２０も発生する。直進しないビーム２０は、コリメートレンズアレイ４及び光学素子８ａ，・・・，８ｎの各々において発生する。直進しないビーム２０が発生することは、マルチエミッタ半導体レーザバー２が出力するレーザ光が効率良く伝搬しないことを意味する。

図１１は、実施の形態３に係る光モジュール１Ｂによって得られる効果を説明するための第２の図である。図１１では、コリメートレンズアレイ４の反りの向きは、マルチエミッタ半導体レーザバー２が有する複数の発光点２ａを結ぶ線２ｂの反りの向きと同じである。光学素子８ａ，・・・，８ｎの各々の反りの向きも、複数の発光点２ａを結ぶ線２ｂの反りの向きと同じである。

すなわち、図１１は実施の形態３に係る光モジュール１Ｂにおける複数のビームの伝搬の状況を示している。上述の通り、コリメートレンズアレイ４の反りの向き及び光学素子８ａ，・・・，８ｎの各々の反りの向きが複数の発光点２ａを結ぶ線２ｂの反りの向きと同じであるので、直進しないビーム２０の発生は抑制され、マルチエミッタ半導体レーザバー２が出力する複数のビームのうちの比較的多数のビームが直進するビーム１０となる。したがって、光モジュール１Ｂは、出力するレーザ光の伝搬の損失の発生を抑制することができる。

上述の通り、実施の形態３に係る光モジュール１Ｂでは、コリメートレンズアレイ４の反りの向き及び光学素子８ａ，・・・，８ｎの各々の反りの向きは、マルチエミッタ半導体レーザバー２が有する複数の発光点２ａを結ぶ線２ｂの反りの向きと同じである。そのため、マルチエミッタ半導体レーザバー２が出力する複数のビームが直進しなくなることは抑制される。したがって、光モジュール１Ｂは、出力するレーザ光の伝搬の損失の発生を抑制することができる。言い換えると、光モジュール１Ｂは、出力するレーザ光を効率良く伝搬させることができる。

実施の形態３では、コリメートレンズアレイ４の反りの向きと光学素子８ａ，・・・，８ｎの各々の反りの向きとを、複数の発光点２ａを結ぶ線２ｂの反りの向きと同じにして光モジュール１Ｂを製造する。したがって、実施の形態３に係る光モジュールの製造方法によれば、出力するレーザ光の伝搬の損失の発生を抑制する光モジュール１Ｂを製造することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略又は変更することも可能である。

１，１Ａ，１Ｂ 光モジュール、２ マルチエミッタ半導体レーザバー、２ａ 複数の発光点、２ｂ 複数の発光点を結ぶ線、３ 冷却構造体、４ コリメートレンズアレイ、４ａ 円弧、５ 保持部材、６ 第１の接合部材、７ 第２の接合部材、８ａ，・・・，８ｎ 光学素子、９ａ，・・・，９ｎ 接合部材、１０ 直進するビーム、２０ 直進しないビーム。

Claims (4)

1. 複数の発光点を有するマルチエミッタ半導体レーザバーと、
   前記マルチエミッタ半導体レーザバーが出力する複数のビームを平行にするためのコリメートレンズアレイとを備え、
   前記複数のビームの伝搬方向と直交する平面であって前記コリメートレンズアレイを含む平面での前記コリメートレンズアレイの反りの向きは、前記複数のビームの伝搬方向と直交する平面であって前記複数の発光点を含む平面での前記複数の発光点を結ぶ線の反りの向きと同じである
   ことを特徴とする光モジュール。
2. １個又は複数個の光学素子を更に備え、
   前記１個又は複数個の光学素子の各々について、前記複数のビームの伝搬方向と直交する平面での反りの向きは、前記複数の発光点を結ぶ線の反りの向きと同じである
   ことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 複数の発光点を含むマルチエミッタ半導体レーザバーと、前記マルチエミッタ半導体レーザバーが出力する複数のビームを平行にするためのコリメートレンズアレイとを有する光モジュールを製造する光モジュールの製造方法であって、
   前記複数のビームの伝搬方向と直交する平面であって前記複数の発光点を含む平面での前記複数の発光点を結ぶ線の反りの向きを測定するステップと、
   前記コリメートレンズアレイで平行にされるビームの伝搬方向と直交する平面であって前記コリメートレンズアレイを含む平面での前記コリメートレンズアレイの反りの向きを測定するステップと、
   測定された前記コリメートレンズアレイの反りの向きを、測定された前記複数の発光点を結ぶ線の反りの向きと同じにするステップと
   を含むことを特徴とする光モジュールの製造方法。
4. 前記光モジュールは、１個又は複数個の光学素子を更に有し、
   前記１個又は複数個の光学素子の各々について、通過するビームの伝搬方向と直交する平面での反りの向きを測定するステップと、
   測定された前記１個又は複数個の光学素子の各々の反りの向きを、測定された前記複数の発光点を結ぶ線の反りの向きと同じにするステップと
   を更に含むことを特徴とする請求項３に記載の光モジュールの製造方法。

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